柳樹對鎘積累、忍耐與解毒生理機制初步研究.pdf

1、植物修復是用綠色植物及相聯(lián)微生物清潔環(huán)境污染，作為非破壞性技術(shù)近10年已經(jīng)獲得很大進展。柳樹用于原位修復土壤中 Cd、Zn污染。旱柳、杞柳、垂柳是我國重要鄉(xiāng)土樹種，它們有高生物量，生長快，適應(yīng)水濕環(huán)境等特點。本論文先對我國廣泛栽培的灌木柳——杞柳對Cd和Zn積累的特點以及重要綠化樹種——垂柳對Cd積累特點作了研究，最后以我國重要的鄉(xiāng)土樹種—旱柳為材料，探討Cd對柳樹光合作用、礦質(zhì)元素影響、Cd-Zn交互作用以及柳樹對Cd忍耐和解毒機制。

2、本論文研究內(nèi)容共有8部分組成。
　　1.杞柳3品種微山湖、大紅頭、一枝筆，通過水培方法，比較杞柳品種對Cd的積累與忍耐差異。Cd處理濃度為0、10、50μmol?L-1，處理6周。結(jié)果表明：3種品種在植物枝、根生物量以及對Cd忍耐水平和積累存在差異. Cd不同程度降低了3種枝和根生物量；Cd在枝中濃度與根中濃度比值低于1，并且隨介質(zhì)中 Cd劑量提高，其比值降低，但Cd在枝中積累總量與Cd在根中積累總量高于1，但隨介質(zhì)濃度升高而降低

3、；微山湖品種忍耐系數(shù) TIroot(以根干重表示)為0.61~0.82；大紅頭品種 TIroot為0.88，一枝筆品種TIroot為0.92～0.93。
　　添加0、100、1000μmol?L-1 Zn，調(diào)果Zn對3杞柳品種生長參數(shù)影響、吸收和忍耐情況。結(jié)果表明：依賴Zn劑量，這些生長參數(shù)在品種之間有明顯差異，在高濃度(1000μmol?L-1)時，Zn降低杞柳3品種莖高、根長、枝和根生物量。在Zn100μmol?L-1時，3種

4、杞柳枝吸收與積累Zn量最高，而根中積累量隨培養(yǎng)介質(zhì)中Zn濃度增加而升高，枝中濃度與根中濃度比值接近1。忍耐系數(shù)隨介質(zhì)Zn含量升高而降低。
　　Cd處理濃度為0、10、50μmol?L-1，處理時間為30d，評價Cd對垂柳3無性系生長參數(shù)的影響、吸收和忍耐情況。結(jié)果表明：Cd改變垂柳3無性系生長參數(shù)；在枝中 Cd積累量無性系差別不明顯，在10μmol?L-1 Cd，3種無性系枝積累量>100μg?g-1，Cd主要積累于根部，并且積累

5、量增加隨介質(zhì)濃度增加，在根部，無性系之間Cd吸收量明顯不同，并且枝吸收Cd總量與根吸收Cd總量大于1；3種垂柳無性系對Cd忍耐系數(shù)與處理介質(zhì)濃度有關(guān)，在10μmol?L-1，忍耐系數(shù)為0.80~0.93。
　　2.調(diào)查Cd(5和25μmol?L-1)脅迫對葉相對電導率、根K+滲透、脂過氧化及抗氧化酶的變化影響。葉相對電導率和根K+滲透以及根和葉丙二醛量(MDA)沒有發(fā)生顯著變化；高濃度Cd誘導根超氧歧化酶(SOD)活性增強，不同濃

6、度 Cd促進葉 SOD活性升高；Cd使根抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性增加，但對葉APX活性并沒有顯著影響，Cd顯著促進葉愈創(chuàng)木酚過氧化酶(POD)活性，但對根POD活性并沒有顯著改變，Cd并沒有改變根谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)，但顯著增進葉GPX活性，根和葉GST活性隨Cd濃度增加而增加。這些結(jié)果說明，葉和根細胞質(zhì)膜保持較大穩(wěn)定性，抗氧化酶不同程度改變，在旱柳對Cd忍耐中起重要作用。
　　3.柳樹作為植物修復Cd污染的木本植

7、物，這主要依賴柳樹生物量大，Cd的植物毒性會抑制植物光合作用，降低植物生物量，會影響提取效率。添加Cd(0、5、25、50μmol?L-1)，培養(yǎng)14d，分析葉綠素含量、Rubisco和PEPC活性以及游離氨基酸含量及內(nèi)肽酶活性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：受Cd影響減少了總?cè)~綠素含量及葉綠素a和葉綠素b含量，但是處理間葉綠素降低量差異不大。隨著介質(zhì)中Cd劑量增加，Rubisco活性逐漸降低。同時Cd也抑制根和葉 PEPC活性。根中游離氨基酸含量沒有變化

8、，而葉中游離氨基酸含量增加，這種增加依賴Cd濃度；Cd不同處理根的內(nèi)肽酶活性降低，但在高濃度使葉內(nèi)肽酶活力增加。這些結(jié)果表明Cd干旱柳光合作用、蛋白質(zhì)降解和CO2同化。
　　4. Cd毒性抑制植物生長，干擾礦質(zhì)營養(yǎng)代謝。本研究調(diào)查Cd對旱柳N、P、K等礦質(zhì)元素吸收和利用影響。由于K、P為大量元素，它們在旱柳中的吸收與器官和Cd劑量有關(guān)。Cd脅迫并沒有顯著影響根對K吸收，只在低濃度(Cd=5μmol?L-1)增加葉中K含量，在25~

9、50μmol?L-1 Cd葉中K含量沒有明顯變化；5~50μmol?L-1 Cd抑制根對P吸收，在25-50μmol?L-1 Cd降低葉中P含量；受Cd脅迫根中NH4+含量增加，葉NH4+含量降低；根和葉中NO-13含量都輕微上升；在5μmol?L-1 Cd，根NR活性顯著上升，其它劑量Cd沒有明顯改變NR活性，Cd降低葉NR活性。本研究為通過營養(yǎng)管理策略提高修復對Cd效率，提供理論借鑒。
　　5.柳樹已經(jīng)用于植物提取Cd，這需要

10、忍耐一定劑量Cd，抗壞血酸—谷胱甘肽循環(huán)(ascorbate-glutathione cycle, AsA-GSH cycle)在植物忍耐Cd脅迫中起重要作用。分析根和葉還原型抗壞血酸(ascorbate, AsA)、氧化型抗壞血酸(脫氫抗壞血酸, dehydroascorbate, DHA)，還原型谷胱甘肽(reduced glutathione, GSH)，氧化型谷胱甘肽(oxidized glutathione, GSSG)及相關(guān)

11、酶變化。Cd顯著降低根AsA含量，增進葉AsA積累；5μmol?L-1Cd促使根DHA含量升高，25μmol?L-1Cd降低根和葉DHA含量，并且使根和葉AsA/DHA比率上升。5μmol?L-1Cd促進根和葉GSH積累，25μmol?L-1抑制根GSH含量積累，Cd使根和葉GSSG含量降低，在5μmol?L-1時根和葉 GSH/GSSG比率高于對照。在 Cd處理下，Cd 促進葉抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate pero

12、xidase, APX)不同程度增強，根APX活性沒有顯著變化，根中單脫氫抗壞血酸還原酶(monodehydroascorbate reductase, MDHAR)在5μmol?L-1活性最高，葉MDHAR活性隨介質(zhì)Cd濃度增加顯著增加，根和葉的脫氫抗壞血酸還原酶(dehydroascorbate reductase, DHAR)活性顯著高于對照，根 GR僅在5μmol?L-1Cd活性顯著增加，葉 GR活性高于對照；同對照相比，谷胱甘

13、肽過氧化酶(glutathione peroxidase, GPX)和谷胱甘肽轉(zhuǎn)硫酶(glutathione-S-transferase, GST)活性也不同程度上升。以上結(jié)果表明在Cd脅迫下抗壞血酸—谷胱甘肽循環(huán)參與旱柳對Cd忍耐。
　　6. Cd在旱柳葉和根亞細胞積累及存在化學形式。隨著培養(yǎng)介質(zhì)Cd濃度增加葉和根各亞細胞組份Cd含量增加。Cd主要積累于葉細胞壁、葉綠體和可溶性部分，葉中FI(細胞壁)占65~69％，而 FII(

14、葉綠體)為14～22%，F(xiàn)IV(可溶性部分)為6.8~7.7%，僅少量 Cd發(fā)現(xiàn)于 FIII(細胞器)中，Cd在葉亞細胞組份中積累順序為 FI>FII>FIV>FIII；而根中 Cd主要積累于細胞壁和可溶性部分，其中Cd在根細胞壁中含量為59~66%，可溶性部分為14～25%，而 Cd在根亞細胞組份中積累順序為 FI(細胞壁)>FIV(可溶性部分)>FII(質(zhì)體)>FIII(細胞器)。Cd在旱柳以不同的化學形態(tài)存在，大部分為 HCl、N

15、aCl、HAC提取態(tài)，極少部分為乙醇和水，其中葉和根中Cd FHCl和FNaCl提取態(tài)>30%，Cd在葉和根中5種溶劑提取態(tài)順序為FHCl>FNaCl>FHAC>Fwater>Fethanol。這些結(jié)果與旱柳對Cd脫毒與忍耐相關(guān)。
　　7.柳樹是具有修復潛力的木本植物，尤其適合于植物提取 Cd、Zn，重金屬往往是多種元素組成復合污染。調(diào)查了 Cd―Zn交互作用對金屬在枝根積累與分配影響。Zn、Cd在根部表現(xiàn)為互相競爭，即Zn抑制C

16、d吸收，Zn吸收也受Cd抑制；而在枝中，Cd抑制Zn積累，但是Zn對Cd吸收積累的影響依賴培養(yǎng)介質(zhì)中Cd、Zn濃度。Zn、Cd交互作用改變它們在枝根中分配，這種改變?nèi)耘c它們在介質(zhì)中濃度相關(guān)，Cd、Zn主要積累于根部。在交互作用中，Cd-Zn單一或結(jié)合處理，干擾了Mn、Cu、Fe、Mg、Ca等礦質(zhì)元素在枝根中含量，對K沒有明顯改變。這些結(jié)果表明Cd-Zn對旱柳有顯著交互作用，影響二者在植物中積累、分配和對礦質(zhì)元素吸收。
　　8.低分

17、子量含巰基醇化合物在植物解毒和積累中起重要作用。測定根和葉 Cys、非蛋白巰基(Non-protein thiols, NPTs)、蛋白質(zhì)巰基(Protein thiols, PTs)以及總巰基(Total thiols, TTs)含量，以及γ-GCS活力，了解低分子量巰基醇在旱柳對Cd忍耐和解毒中作用。發(fā)現(xiàn)不同劑量Cd處理下誘導NPTs、PTs和TTs產(chǎn)生，這表明低分子量巰基參與旱柳對Cd解毒與忍耐，有助于旱柳對Cd植物提取。由于Cd